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Camera lens<br />
<strong>Jiangtao</strong> <strong>Li</strong><br />
Astronomy Department of Nanjing University
Outline<br />
•1.Different type of lens.<br />
•2.Most important lens companies in the<br />
world.<br />
•3.How to evaluate a lens?<br />
•4.New techniques.<br />
•5.The best lens in the world.<br />
•6.A view of the future.
1. Different type of lens<br />
• 1.1Classification by Format<br />
• APS format<br />
• 35mm<br />
• Medium format<br />
• Large format<br />
• 1.2Classification by Usage<br />
• Fisheye<br />
• Wide-angle<br />
• Standard & Medium<br />
• Telephoto<br />
• Super Telephoto<br />
• Macro<br />
• Tilt-Shift<br />
• Soft focus<br />
• Converter or adaptors<br />
• 1.3Classification by Focusing Mode, Fixed Focal or not<br />
etc.
• APS format<br />
Canon EF-S<br />
18-55/3.5-5.6 IS<br />
1.1 Classification by Format<br />
Panasonic DX (4/3)<br />
LEICA 14-150/3.5-5.6<br />
Olympus DX<br />
Zuiko<br />
14-54/2.8-3.5
• 35 mm<br />
• Rangefinder:<br />
• Leica M mount<br />
• M39 mount<br />
• Single lens<br />
reflector:<br />
• Canon FL/FD mount<br />
• Canon EOS mount<br />
• Nikon F mount<br />
• Leica R mount<br />
• Minolta/Sony α mount<br />
• Pentax K mount<br />
• M42 mount<br />
• Olympus OM mount
• Medium format<br />
• Rangefinder:<br />
• Alpa mount<br />
• Fuji TX-1 (Hasselblad X pan) mount<br />
• Single lens reflector:<br />
• Hasselblad mount<br />
• Mamiya mount (7/645)<br />
• Pentax 645 mount<br />
• Twin lens reflector:<br />
• Rollei mount<br />
• Mamiya<br />
• Bronica
Large format<br />
Schneider<br />
Fujinon<br />
Nikon<br />
Sinar<br />
Etc.
1.2 Classification by Usage<br />
• Fisheye
Wide-angle
• Standard & Medium
• Telephoto
• Super Telephoto
• Macro
• Tilt-Shift
• Soft focus
• Converter or adaptors
1.3 Classification by<br />
Focusing Mode, Fixed Focal<br />
or not etc.<br />
• By Focusing Mode:<br />
• Auto focus<br />
• Manual focus<br />
• Focusing screen<br />
• By Fixed Focal or not:<br />
• Fixed Focal<br />
• Zoom lens<br />
• Tri-Elmar (Leica M)<br />
16-18-21mm, 28-35-50mm
2. Most important lens companies in<br />
the world.<br />
Tokina<br />
Voigtlander<br />
Bronica<br />
Mamiya<br />
Kenko<br />
Sinar<br />
Yamazaki<br />
Topcon<br />
Zenitar<br />
Mir<br />
Cosina
3. How to evaluate a lens?<br />
• 3.1 镜头的光学设计,像差<br />
• 色差<br />
• 像差:球差,彗差,像散,场曲,畸变<br />
• 3.2 镜头的加工,材料和镀膜<br />
• 3.3 与镜头有关的影响成像的因素(成像质量) :<br />
• 广角端的桶形畸变<br />
• 广角端的暗角<br />
• 长焦端的色散(紫边,红边等)<br />
• 逆光时的鬼影和眩光<br />
• 锐度(球差,彗差,像散)<br />
• 对比度,暗部和亮部细节<br />
• 色彩还原和过渡<br />
• 3.4 其他因素:
• 3.1 镜头的光学设计,像差<br />
• 广义的像差包括色差和狭义的像差<br />
• 色差<br />
• 消除方法:<br />
• 1. 复合透镜 (冕牌玻璃+火石玻璃,萤石镜,UD (Ultra<br />
Dispersion) 镜),主要用于价格高昂的长焦镜头。<br />
• 2. 反射镜,难以做到大光圈,且像质较差,主要用于廉价<br />
轻便的长焦镜。<br />
• 狭义的像差包括:<br />
• 球差,主要影响轴上<br />
• 彗差,主要影响轴外<br />
• 像散,主要影响点源<br />
• 场曲,焦平面非平面<br />
• 畸变,主要包括枕形或桶形<br />
• 消除方法:透镜组或者非球面镜。<br />
Canon 300/2.8L IS USM<br />
Canon 15/2.8 fisheye<br />
Canon 24/1.4L USM
• 3.2 镜头的加工,材料和镀膜<br />
加工:现代光学和机械技术已经可以加工出高精度,复杂<br />
的非球面镜。在高端镜头中,主要采用研磨而非浇铸<br />
的方式生产非球面镜,一般高档的广角或者变焦镜头<br />
都有1至2片非球面镜。<br />
材料:不同折射率和色散率,内部高度均匀的光学玻璃。<br />
另外,有些含有特殊元素的光学玻璃,如现在已被禁用<br />
的含铅玻璃能够产生特殊的色彩效果。<br />
镀膜:现代技术能够生产高精度多层<br />
镀膜的镜头,可以有效抑制鬼影和眩<br />
光,并增加镜头的透射率。某些镜头<br />
经常包含多达十几片镜片,这在四五<br />
十年前是难以想象的。不同的厂家通<br />
常有不同的镀膜技术,这也部分导致<br />
了不同品牌镜头的不同成像风格。如<br />
蔡司的T*,佳能的SSC等。<br />
Carl Zeiss T* 15mm f8<br />
Hologon for Leica
• 3.3 与镜头有关的影响成像的因素(成像质量):<br />
广角端的桶形畸变<br />
广角端的暗角
• (长焦端)<br />
的色散<br />
Tamron 28-75/2.8 Macro Canon EF 100/2.8 Macro
• 逆光时的鬼影和眩光<br />
F4;左为佳能24-105拍摄、中为适马24-70拍摄、右为佳能24-70拍摄<br />
F5.6;左为佳能24-105拍摄、中为适马24-70拍摄、右为佳能24-70拍摄<br />
F8;左为佳能24-105拍摄、中为适马24-70拍摄、右为佳能24-70拍摄<br />
F11;左为佳能24-105拍摄、中为适马24-70拍摄、右为佳能24-70拍摄
• 锐度(球差,彗差,像散)<br />
• MTF<br />
1、 MTF曲线越高越好,越高说明镜头光学质<br />
量越好。综合反差和分辨率来看,MTF曲线<br />
以 下包含面积越大越好。<br />
2、 MTF曲线越平直越好,越平直越说明边缘<br />
与中间一致性好。边缘严重下降说明边角反<br />
差 与分辨率较低。<br />
3、 S曲线与M曲线越接近越好,两者距离较<br />
小反映出镜头像散较小。<br />
4、 低频(10线对/mm)曲线代表镜头反差特性。<br />
这条曲线越高反映镜头反差大。 5、 高频(30<br />
线对/mm)曲线代表镜头分辨率特性。这条曲<br />
线越高反映镜头分辨率越高。(注意这里出<br />
现了分辨率,但是这个判断标准是不准确<br />
的,30线对应该是判断“锐度”,但是不是“分<br />
辨率极限”)<br />
6、 F8的曲线反映了镜头理想条件下的最佳性<br />
能。这是任何严格的摄影师都非常看重的性<br />
能。<br />
7、 最大光圈的曲线反映了在镜头边界条件下<br />
至少应当达到的性能。当你在金钱与超大口<br />
径之间折衷时,你必须将这个性能当作重要<br />
的考虑因素。
Canon EF 135/2L<br />
• 对比度,暗部和亮部<br />
细节<br />
Leitz M 50MM RIGID 50/2<br />
Canon FD 135/2.5 S.C.
• 色彩还原和过渡(层次感和空间感)
• 3.4 其他因素:<br />
光圈:光圈越大,同样焦距和距离的情况下背景虚化<br />
越好,进光量也越大。<br />
机械结构:特殊镜头(如TS)比一般镜头要贵。<br />
镜身的材料和做工:主要影响价格(性价比),使用<br />
寿命等,对成像也有一定影响,如抑制眩光,保证精<br />
确对焦等。<br />
50/1.8II<br />
< $100<br />
50/1.8<br />
~$250<br />
50/1.4<br />
~$400<br />
50/1.2L<br />
~$1400<br />
50/1.0L<br />
~$4500
对焦速度,精度,宁静度:主要影响长焦和抓拍的场<br />
合(野生动物,体育),与机身(测光系统和对焦马<br />
达)和镜头(对焦马达)都有关系。<br />
是否防抖:同样曝光时间内同一人手持拍摄的抖动程<br />
度取决于器材重量,重心位置,焦距等。防抖+追焦<br />
还可用于拍摄高速运动物体。既有机身防抖也有镜头<br />
防抖。<br />
70-200/4L IS<br />
~$1250<br />
70-200/4L<br />
~$600
4. New techniques<br />
• 4.1 超声波对焦马达<br />
• 4.2 图像稳定(防抖)技术<br />
• 4.3 多层衍射光学镜片(DO技术)
• 4.1 超声波对焦马达<br />
能EF镜头所采用的3种超声波马达USM 佳能于1987年首先<br />
实现了将超声波马<br />
达搭载于市售镜头。<br />
1990年普及型“环<br />
型超声波马达”开<br />
始普遍应用。两年<br />
之后,实现了生产<br />
自动化的“微型超<br />
声波马达”也随 之<br />
登场,从而进一步<br />
推动了超声波马达<br />
的应用。在2002年<br />
开发出了全长仅为<br />
原有微型超声波马<br />
达长度的1/2的“微<br />
型超声波马达II”。
•EF镜头的自动对焦驱动装置的种类<br />
• 环形超声波马达:将超声波产生的振动能量转化为旋转动能。通过行<br />
进波驱动镜头,是EF镜头独有的自动对焦驱动方式。利用压电陶瓷在加<br />
交流电压后的伸缩运动使环状回转轴旋转。<br />
• 微型超声波马达:通用性更高的小型超声波马达。具有圆筒形状,没<br />
有大口径的环状回转轴、固定子。工作的基本原理与环形超声波马达相<br />
同,但压电元件、固定子以及回转轴采用纵向层叠配置,实现了小型化。<br />
• AFD(Arc-form Drive:弧形马达):使电流通过线圈时所产生<br />
的磁场与永磁铁的磁场相互作用,得到旋转力。AFD没有电刷那样的机<br />
械接触部分,所以可以避免机械、电性噪声,能够进行平滑旋转。<br />
• 无线圈马达:超小型的线圈式马达单元。无线圈马达内置了仅用树脂<br />
固定线圈的永磁铁。内部没有层叠线圈,具有响应性、工作效率以及整<br />
流性良好的特征。<br />
• 有线圈马达:工作原理与无线圈马达相同。与之不同的是,有线圈马<br />
达具有用线圈缠绕层叠线圈的转子。由于其比较廉价而且通用性好,可<br />
靠性也较高,作为工业用马达得到了广泛应用。
• 4.2 图像稳定(防抖)技术<br />
手抖动造成镜头前部向下<br />
时,由于光线不能通过镜<br />
头的中央到达像方焦平<br />
面,因此像方焦平面上的<br />
图像中心也会向下移动。<br />
IS机构打开状态下,如发<br />
生手抖动,光轴补偿光<br />
学元件移动,以保证得<br />
到没有抖动的图像。<br />
1/15秒 EF 70-200mm f/2.8L IS<br />
USM 200mm端
4.3 多层衍射光学镜片(DO技术)<br />
上图为采用<br />
MLDOE的EF<br />
400/2.8 DO IS<br />
USM<br />
下图为仅采用<br />
折射光学元件<br />
的同类镜头<br />
衍射光学元件不同波长成像位置与折射光学元件是相反的。在同一个光学系统<br />
中,将一片MLDOE与一片折射光学元件组合在一起,就能 比萤石元件更有效地<br />
校正色散。而且,通过调整衍射光栅的节距(间隙),衍射光学元件可以具有与研<br />
磨及抛光的非球面镜片同样的光学特性,有效地校正球面及其他像差。
在生产MLDOE衍射光栅时,需要微米<br />
级(1微米=1/1000mm)的精度来保证衍<br />
射光栅的高度、节距以及定位。Canon<br />
在生产EF镜头中所使用的三维超高精<br />
度微制造技术和倒制非球面镜片制造<br />
技术能保证这样的生产精度,利用这<br />
些先进的生产工艺可以制造超高精度<br />
的衍射光学元件。
5. The best lens in the world<br />
• 5.1 哈苏实验室的MTF测试结果<br />
• 5.2 超大光圈镜头<br />
• 5.3 人类历史上的经典镜头
5.1 哈苏实验室的MTF测试结果<br />
• 全世界生产的数百种35mm相机镜头中,能够纳入顶级头的只有19款(得分<br />
4.5以上即MTF侧重平均值在0.86以上)。这些镜头全部是定焦头。其中标<br />
准镜头有8款(两款带微距,75~85mm焦距头有4款,90~135mm焦距头有<br />
6款(三款带微距),得分最高的为佳能的200mm/1.8镜头 (4.8分,MTF侧<br />
重平均值0.89)。按照厂家划分,徕卡镜头占了六款(M系列:50/2,<br />
75/1.4,90/2.8;R系列:50/2,90 /2.8,100/2.8 Macro),康太时(蔡司)四<br />
款(50/1.7,50/1.4,85/1.4,45/2G),佳能三款(EF85/1.2,EF135/2,EF<br />
200/1.8),宾得三款(50/1.4,50/2.8Macro,85/1.4),美能达两款(AF<br />
50/2.8Macro,AF 100/2.8Macro),图丽一款(MF AT-X 90/2.5Macro)。<br />
实力雄厚的尼康竟然没有一款镜头入围。<br />
• MTF测试偏重于锐度,只能作为参考,微距头强调锐度,与非微距头不具<br />
可比性。上述镜头大部分是在50-135mm焦段,没有广角,只有佳能200/1.8<br />
是长焦,而这款镜头得分居然是最高的,足见其出色。
5.2 超大光圈镜头<br />
• 24mm: Canon 24/1.4L • 28mm: Nikon 28/1.4D<br />
• 35mm: TV-Nikkor<br />
35mm/0.9<br />
• 50mm:蔡司在1966年为NASA专<br />
门设计的Planar 50/0.7镜头
• 85mm: Repro Nikkor<br />
85mm F1.0<br />
• 200mm: Canon EF<br />
200/1.8L<br />
• 100-200mm: Simlar-F<br />
180mm F1.5<br />
• 300mm: AIS Nikkor<br />
300/2 ED IF
• 400mm: Canon EF<br />
400/2.8L<br />
• 1700mm: Zeiss Apo<br />
Sonnar T* 1700 mm F4<br />
• 1200mm: Canon EF<br />
1200/5.6L<br />
变焦:Sigma APO 200-500 F/2.8
5.3 人类历史上的经典镜头<br />
Carl Zeiss T* 15mm f8 (or 16/8) Hologon $3000
Leica SUMMICRON-M 35/2(八枚玉)$4000-5000
• 几款著名的标头<br />
• Leica Noctilux 50/1.0 $6000-15000<br />
• Leica Noctilux 50/0.95<br />
$10000<br />
King of the night<br />
暗夜镜皇
• 几款著名的标头3<br />
• Leica M 50/2 Summicron RIGID $700<br />
Leica做工最好的镜头,M3和RIGID分别<br />
代表了Leica质量上的精美
几款著名的标头3<br />
Canon EF 50/1.0L<br />
$4500
• 宾德三公主<br />
• 温良淑德“长公主” FA 43mm F1.9 <strong>Li</strong>mited $500<br />
• 倾国倾城“二公主” FA 77mm F1.8 <strong>Li</strong>mited $600<br />
• 鬼灵精怪“小公主” FA 31mm F1.8 <strong>Li</strong>mited $900
• Canon EF 85/1.2 II L ($1800),Zeiss Planar 85/1.4 ($1000) ,<br />
Planar 85/1.2 ($4500)<br />
http://forum.xitek.com/showthread.php?threadid=380546<br />
Canon<br />
Zeiss
Leica M 75/1.4 $3000
• Canon EF 135/2L<br />
$900-1000
Canon EF 200/1.8L $4000
• Canon EF 400/2.8 IS USM $6000-7000<br />
200/2,300/2.8,400/2.8,500/4,600/4,800/5.6
Canon EF 1200/5.6 USM $10^5
6. A view of the future<br />
6.1 感光元件:CCD or CMOS?多大的画幅?<br />
6.2 机身结构:单反,双反,旁轴or其他?
6.1 感光元件:CCD or CMOS?多大的画幅?<br />
CCD和CMOS的优缺点以及在现代摄影器材中的应用
6.2 机身结构:单反,双反,旁轴or其他?<br />
• 单反在胶片时代的优势:取景,对焦<br />
Micro 4/3
Thank you very much!
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